По виду энергии носителя сигналов в канале связи, применяемых для приема, выдачи и обмена информации, предусматриваются три основные ветви устройств ГСП: электрическая, пневматическая и гидравлическая. В некоторых случаях оказывается эффективным применение комбинированных устройств, использующих различные виды энергии. При этом, например, для получения, передачи и обработки информации могут применяться электрические приборы, а для воздействия на процесс — пневматические и гидравлические устройства.
Наиболее универсальной является электрическая ветвь, приборы и устройства которой обладают высокой чувствительностью, точностью, быстродействием, обеспечивают дальность связей, большую емкость каналов передачи информации и т. п. Кроме того, применение устройств электрической ветви обеспечивает возможность их непосредственной связи с управляющими вычислительными машинами в АСУТП. Электрическая ветвь, в свою очередь, подразделяется на электрическую аналоговую ветвь, в которой вырабатывается, передается и используется информация о непрерывных значениях контролируемых величин, и электрическую дискретную ветвь, в которой источником информации служат дискретные значения контролируемых величин.
Пневматическая ветвь характеризуется безопасностью в легковоспламеняющихся и взрывоопасных средах, высокой надежностью в тяжелых условиях работы и в агрессивных средах. Однако устройства пневматической ветви уступают электрическим в случаях, когда требуется значительное быстродействие и передача сигналов на большие расстояния.
Гидравлические устройства позволяют развивать значительные усилия.
Электрическая аналоговая ветвь ГСП. В электрических приборах и устройствах ГСП в качестве энергии питания используется электрическая энергия, а входные и выходные сигналы являются непрерывными электрическими сигналами.
В электрической аналоговой ветви ГСП пределы изменения токовых сигналов постоянного тока выбираются из следующих значений: 0—5, 0—20, 0—100 мА; пределы изменения сигналов напряжения постоянного тока: 0—10, 0—20, 0—50, 0—100 мВ; 0—1, 0—10 В.
Входное сопротивление приборов и устройств с входными сигналами постоянного тока не должно превышать 500 Ом для сигналов 0—5 мА, 200 Ом для сигналов 0—20 мА и 150 Ом для сигналов 0—100 мА; для сигналов 0—10 В —больше или равно 10 кОм.
В то же время приборы и устройства этой ветви должны обеспечить возможность подключения нагрузки (сопротивления приборов и линии связи) в следующих пределах: для сигналов 0_5 мА —до 2,5 кОм; 0—20 мА —до 1000 Ом; 0—100 мА — 250 Ом; 0—10 В —от 2 кОм и выше.
Система включает следующие функциональные группы и относящиеся к ним основные виды приборов и устройств:
1) получение информации о состоянии процесса при помощи измерительных преобразователей (датчиков с унифицированными выходными сигналами);
2) преобразование и хранение информации с использованием как аналоговых регулирующих, так и вычислительных устройств;
3) использование информации с помощью показывающих, регистрирующих и индикаторных приборов контроля, а также устройств преобразования сигналов управления для воздействия на процесс (исполнительных механизмов, усилителей мощности).
Аналоговые регулирующие устройства позволяют формировать ПИ- и ПИД-законы регулирования с импульсным выходным сигналом, а также П-, ПИ-, ПД- и ПИД-законы регулирования с непрерывным выходным сигналом.
Электрическая дискретная ветвь ГСП. По функциональному признаку приборы и устройства электрической дискретной ветви ГСП подразделяются на следующие группы:
1) получение информации; к ним относятся преобразователи двух- и трехпозиционные, числоимпульсные, кодовые, коммутаторы измерительных сигналов, аналого-цифровые преобразователи, преобразователи напряжения (тока) и частоты в цифровой сигнал, устройства ручного ввода информации;
2) преобразование, хранение и обработка информации; к ним относятся преобразователи кодов и другие преобразователи, запоминающие устройства (постоянные, оперативные и др.), арифметические устройства, счетчики, регистры, сумматоры, устройства кодового сравнения, определения равенства и его знака;
3) использование командной информации; к ним относятся цифровые указатели, всевозможные печатающие устройства, исполнительные механизмы — дискретные, двухпозиционные, шаговые, кодовые.
Электрическая дискретная ветвь ГСП, имеющая дело с цифровыми приборами и устройствами, бурно развивается и очень перспективна. Достаточно указать на цифровые измерительные приборы, цифровые регуляторы и цифровые вычислительные и управляющие машины.
Преобразователи с цифровым выходом позволяют легко сопрягать их с цифровыми регуляторами, управляющими машинами, что существенно упрощает передачу сигналов по каналам связи. Цифровая техника при этом позволяет обеспечить высокую точность систем регулирования.
Пневматическая ветвь ГСП. Пневматические приборы и устройства ГСП используют в качестве источника внешней энергии сжатый воздух, а носителем информации является пневматический сигнал.
По функциональному признаку приборы и устройства пневматической ветви ГСП делятся на следующие группы:
получения информации о состоянии процесса; к ним относятся первичные преобразователи, в том числе с унифицированным выходным сигналом, и измерительные преобразователи;
передачи информации; к ним относятся линии и каналы связи; преобразования, хранения и обработки информации; к ним относятся приборы контроля (показывающие, регистрирующие, индикаторные), регулирующие устройства (реализующие П-, ПИ-, ПД-, ПИД-, а также экстремальные законы регулирования), вычислительные и функциональные устройства, задатчики, устройства централизованного контроля и управления, логические (дискретные, релейные) устройства и элементы (пневмосопротивления, пневмоемкости, логические элементы «И», «Или», «Да», «Нет» и др.), вспомогательные устройства.
Давление воздуха питания приборов и устройств, кроме устройств для использования информации в целях воздействия на процесс, 0,14±0,014 МПа. Диапазон изменения входных и выходных аналоговых сигналов 0,02—0,1 МПа.
В качестве входных и выходных дискретных сигналов применяются условные сигналы двоичного кода — 0 и 1. Давление сжатого воздуха дискретных сигналов лежит в пределах от 0 до 0,01 МПа при значении «0» и от 0,11 до 0,14 МПа при значении «1».
В настоящее время выпускаются пневматические регуляторы приборного, аппаратного и агрегатно-блочного типов. Пневматические регуляторы приборного и аппаратного типов относительно сложны по конструкции и имеют узкоцелевое назначение. Пневматические регуляторы, построенные по агрегатному и элементному принципам, более совершенны и универсальны; они являются основой пневматической ветви ГСП. К ним относятся пневматическая агрегатная унифицированная система контроля и регулирования (АУС) и универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА).
Недостаток пневматических регуляторов — необходимость вспомогательного оборудования: компрессоров, устройств для охлаждения, очистки и сушки воздуха. Кроме того, в линии каждого пневматического прибора и регулятора должен быть фильтр для удаления твердых частиц и редуктор, снижающий давление подводимого воздуха и поддерживающий необходимое значение этого давления.
Пневматические регуляторы позволяют практически реализовать все законы регулирования, они надежны в работе, просты и удобны в эксплуатации, полностью взрыво- и пожаро- безопасны.
Гидравлическая ветвь ГСП. По сравнению с электрической и пневматической ветвями ГСП гидравлическая ветвь пока развита незначительно. К приборам и устройствам этой системы, в которой используется энергия давления жидкости (масла или воды), относятся приборы контроля давления, разрежения, перепада давлений, гидравлические регулирующие устройства с П- и ПИ-законами регулирования, гидравлические исполнительные механизмы.
По конструктивному оформлению гидравлические регулирующие устройства могут быть аппаратного или агрегатного типа. Первые строятся на базе исполнительных механизмов, в них все конструктивные элементы объединены в единое целое.
Комбинированная ветвь ГСП. Приборы и средства комбинированной ветви ГСП сочетают несколько видов вспомогательной энергии. Так, в электрогидравлических или электропневматических регуляторах измерительная часть (преобразователи) использует электрическую энергию, силовая часть (исполнительные устройства) — пневматическую или гидравлическую. Комбинированные регуляторы сочетают в себе достоинства двух систем, устраняя некоторые их недостатки. Использование электрической части системы позволяет добиться большей чувствительности и точности, использование пневматической или гидравлической — большей мощности.
В комбинированной ветви ГСП используется электронно-гидравлическая система автоматического регулирования, позволяющая формировать И-, П- и ПИ-законы регулирования, которые достигаются введением жестких и гибких обратных связей, охватывающих гидравлические исполнительные механизмы.
Недостатком системы является невозможность работы при отрицательных температурах и трудности, вызываемые коррозией труб и соединений.